(57)【要約】【課題】半導体冷却装置の製造方法において、簡易な治具を用い、ろう付け時の不良の発生を防止することができるようにする。【解決手段】ベース治具５２に、底板１８と冷却器１６と熱伝導部材１４と絶縁基板１２とを順に積層して配置するとともに、積層される構成部品を位置決め治具５４，５６に接触させることで、当該構成部品の位置を決定し、そして、押圧部材６２により絶縁基板１２を下方に押圧して、前記構成部品の位置を拘束し、その後に、前記構成部品から位置決め治具５４，５６を離隔し、当該構成部品の各接合部をろう付けする。この方法により、ろう付け時の不良の発生を防止することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体である半導体が搭載されるおもて面を有する絶縁基板と、
絶縁基板の裏面に、熱伝導性が優れた熱伝導部材を介して設けられ、前記半導体の熱を放熱する冷却器と、
冷却器を配置する底板と、
を有する半導体冷却装置の製造方法において、
ベース治具に、底板と冷却器と熱伝導部材と絶縁基板とを順に積層して配置するとともに、積層される構成部品を位置決め治具に接触させることで、当該構成部品の位置を決定する位置決めステップと、
押圧部材により絶縁基板を下方に押圧して、前記構成部品の位置を拘束する位置拘束ステップと、
前記構成部品から位置決め治具を離隔し、当該構成部品の各接合部をろう付けするろう付けステップと、
を有することを特徴とする半導体冷却装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体冷却装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の半導体を使用したパワーモジュールにおいては、半導体で発生した熱を効率よく放熱して、半導体の温度を所定温度以下に保つ半導体冷却装置が知られている。
【０００３】
従来の半導体冷却装置の概略構成について図４を用いて説明する。半導体冷却装置１１０は、複数の構成部品を有する。具体的には、発熱体である半導体（図示せず）が搭載されるおもて面１１２ａを有する絶縁基板１１２と、絶縁基板１１２の裏面１１２ｂに、熱伝導性が優れた熱伝導部材１１４を介して設けられた冷却器１１６と、冷却器１１６を配置する底板１１８とを有する。絶縁基板１１２と熱伝導部材１１４と冷却器１１６と底板１１８とは、それぞれろう付けにより接合されている。
【０００４】
冷却器１１６は、熱伝導部材１１４に熱的に接続される上部板１１６ａと、上部板１１６ａとの間に冷却液の流路１２０を形成する下部板１１６ｂとを有する。上部板１１６ａと下部板１１６ｂとは、冷却器１１６の側壁の中間位置でかしめられ、そのかしめられた部位がろう付けにより接合されている。
【０００５】
流路１２０には、上部板１１６ａと下部板１１６ｂとを結ぶようにフィン１２２が設けられている。フィン１２２を設けることにより、流路１２０を流れる冷却液と冷却器１１６との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。
【０００６】
このように構成される半導体冷却装置１１０においては、半導体で生じた熱を、絶縁基板１１２と熱伝導部材１１４を介して、冷却器１１６の流路１２０を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。
【０００７】
次に、半導体冷却装置１１０の製造方法について図５及び６を用いて説明する。図５は、半導体冷却装置１１０の仮組みを行う仮組み治具１３０の概略構成を示す断面図であり、図６は、仮組みした半導体冷却装置１１０のろう付けを行うろう付け治具１３６の概略構成を示す断面図である。
【０００８】
仮組み治具１３０は、下部治具１３２と、下部治具１３２に立設された仮組み支柱１３４とを有する。下部治具１３２には、絶縁基板１１２と熱伝導部材１１４とを嵌め込むことができる凹部１３２ａが形成されている。仮組み治具１３０により、半導体冷却装置１１０は、天地（上下）が逆になるようにして組み立てられる。すなわち、凹部１３２ａに、絶縁基板１１２と熱伝導部材１１４を順に積層して配置する。そして、冷却部１１６に形成された貫通孔１２４に仮組み支柱１３４を通すようにして、熱伝導部材１１４の上に冷却部１１６を配置する。このとき、熱伝導部材１１４と下部治具１３２の表面は一致しているので、冷却器１１６は下部治具１３２の上に配置された状態になる。そして、底板１１８に形成された貫通孔１２６に仮組み支柱１３４を通すようにして、冷却部１１６の上に底板１１８を配置する。このような治具を用いることにより、半導体冷却装置１１０の各構成部品は、半導体冷却装置１１０の積層方向に直交する平面上における位置ずれが規制され、各構成部品の位置が決定される。ここで、半導体冷却装置１１０の各構成部品の接合部には、仮組みを行う前に、接着剤が塗布されている。よって、接着剤により各構成部品の接合部が接着することにより、仮組み治具１３０から半導体冷却装置１１０を一体にして取り出すことができる。
【０００９】
ろう付け治具１３６は、ろう付け治具本体１３８と、これの下面を形成する下部治具１４０と、ろう付け治具本体１３８の上面を形成する上部治具１４２とを有する。上部治具１４２には、バネ１４６を介して押圧部材１４４が設けられている。このように構成されるろう付け治具１３６に、仮組み治具１３０により仮組みされた半導体冷却装置１１０を収容する。このとき、押圧部材１４４を絶縁基板１１２に当接させる。押圧部材１４４は、バネ１４６の復元力により、絶縁基板１１２を下方に押圧する。これにより、半導体冷却装置１１０の各構成部品の接合部を確実に密着させることができる。この状態のまま、半導体冷却装置１１０を炉に入れて、炉内を高温（例えば６５０℃）にすることにより、半導体冷却装置１１０の各構成部品の接合部はろう付けにより接合される。
【００１０】
下記特許文献１には、半導体チップを実装するおもて面を有するセラミック系基板と、セラミック系基板の裏面に、熱伝導性の良い金属基板を介して設けられた液冷ヒートシンクとを有するインバータ装置が開示されている。
【００１１】
下記特許文献２には、ヒートシンクの製造方法であって、仮固定治具により、プレート基板上にフィンを配置した状態で、フィンの位置決めと仮固定を行った後に、プレート基板とフィンをろう付けにより接合する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２８６１５６号公報
【特許文献２】特開２００１−１２９６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術の半導体冷却装置１１０の製造方法においては、仮組み治具１３０とろう付け治具１３６という２種の治具を使用するため、工数が多くなってしまうという問題がある。仮に、ろう付け治具１３６を使用せずに、仮組み治具１３０に半導体冷却装置１１０を装着した状態で炉に入れたとしても、高温により半導体冷却装置１１０が膨張変形するため、ろう付け工程後に仮組み支柱１３４を、冷却器１１６と底板１１８から取り外すことができなくなるという問題がある。
【００１４】
また、従来技術の半導体冷却装置１１０の製造方法においては、仮組み時に、各構成部品の接合部に接着剤を塗布している。この接着剤がろう付け時に昇華することにより、各構成部品が動いてしまうという問題がある。また、ろう付け時に接着剤の一部が昇華せずに残留してしまうと、熱抵抗が増加してしまい、半導体冷却装置１１０の放熱性能が低下してしまうという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、簡易な治具を用い、ろう付け時の不良の発生を防止することができる半導体冷却装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、発熱体である半導体が搭載されるおもて面を有する絶縁基板と、絶縁基板の裏面に、熱伝導性が優れた熱伝導部材を介して設けられ、前記半導体の熱を放熱する冷却器と、冷却器を配置する底板と、を有する半導体冷却装置の製造方法において、ベース治具に、底板と冷却器と熱伝導部材と絶縁基板とを順に積層して配置するとともに、積層される構成部品を位置決め治具に接触させることで、当該構成部品の位置を決定する位置決めステップと、押圧部材により絶縁基板を下方に押圧して、前記構成部品の位置を拘束する位置拘束ステップと、前記構成部品から位置決め治具を離隔し、当該構成部品の各接合部をろう付けするろう付けステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体冷却装置の製造方法によれば、簡易な治具を用い、ろう付け時の不良の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の半導体冷却装置の構成部品の位置を決定する製造工程の治具の概略構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態の半導体冷却装置の構成部品の位置を拘束する製造工程の治具の概略構成を示す断面図である。
【図３】本実施形態の半導体冷却装置のろう付けを行う製造工程の治具の概略構成を示す断面図である。
【図４】従来の半導体冷却装置の概略構成を示す断面図である。
【図５】従来の半導体冷却装置の仮組みを行う仮組み治具の概略構成を示す断面図である。
【図６】従来の仮組みした半導体冷却装置のろう付けを行うろう付け治具の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る半導体冷却装置の製造方法の実施形態について、図面に従って説明する。本実施形態においては、一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これを冷却する半導体冷却装置の製造方法について説明する。
【００２０】
図１は、半導体冷却装置１０の構成部品の位置を決定する製造工程の治具の概略構成を示す断面図であり、図２は、半導体冷却装置１０の構成部品の位置を拘束する製造工程の治具の概略構成を示す断面図であり、図３は、半導体冷却装置１０のろう付けを行う製造工程の治具の概略構成を示す断面図である。
【００２１】
まず、半導体冷却装置１０の構成について説明する。半導体冷却装置１０は、おもて面に半導体（図示せず）を搭載する絶縁基板１２と、絶縁基板１２の裏面に、熱伝導性が優れた熱伝導部材１４を介して設けられた冷却器１６と、冷却器を配置する底板１８とを有する。絶縁基板１２と熱伝導部材１４と冷却器１６と底板１８とは、それぞれろう付けにより接合される。
【００２２】
絶縁基板１２に搭載される半導体は、インバータや昇圧コンバータに用いられるスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ、サイリスタ等などで構成される。スイッチング素子は、駆動により発熱する。
【００２３】
絶縁基板１２は、図に示さないが、第一のアルミニウム層とセラミック層と第二のセラミック層とを順に積層して構成される。
【００２４】
第一のアルミニウム層には、電気回路が形成され、この電気回路上に半導体がはんだ付けにより電気的に接続される。第一のアルミニウム層は、導電性に優れたアルミニウムにより形成されるが、導電性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体とのはんだ付けが良好である純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。セラミック層は、絶縁性能が高く、熱伝導率が高く、そして機械的強度が高いセラミックから形成されている。セラミックは、例えば酸化アルミニウムや窒素アルミニウムである。第二のアルミニウム層には、熱伝導部材１４がろう付けにより接合される。第二のアルミニウム層は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。
【００２５】
熱伝導部材１４は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。熱伝導部材１４は応力吸収空間を有することもできる。応力吸収空間は、熱伝導部材１４を積層方向に貫通する貫通孔であり、この貫通孔が変形することにより応力を吸収することができる。
【００２６】
冷却器１６は、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成される。冷却器１６と底板１８には、後述する第一位置決め治具５４が貫通可能な貫通孔２４，２６がそれぞれ形成されている。冷却器１６は、絶縁基板１２に搭載される半導体で生じた熱を、絶縁基板１２と熱伝導部材１４を介して、冷却器１６に形成される流路を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。
【００２７】
次に、本実施形態の半導体冷却装置１０の製造方法について具体的に説明する。まず、半導体冷却装置１０の製造に用いられる製造治具５０の構成について、図１から３を用いて説明する。
【００２８】
製造治具５０は、製造治具本体６６と、これの下面を形成するベース治具５２と、製造治具本体６６の上面を形成する上部治具６０とを有する。
【００２９】
上部治具６０とベース治具５２とを結ぶように第一位置決め治具５４が上下方向に延在して複数設けられている。第一位置決め治具５４は、円柱形状である。第一位置決め治具５４は、ベース治具５２に着脱可能に立設され、上部治具６０に上下方向にスライド可能に支持される。第一位置決め治具５４には、板状の第二位置決め治具５６が着脱可能に支持されている。第二位置決め治具５６には、これを上下方向に貫通する貫通孔５６ａが所定の位置に形成されている。貫通孔５６ａは、これに絶縁基板１２と熱伝導部材１４とが嵌り合うことができるように形成されている。
【００３０】
上部治具６０の下面には、弾性部材であるバネ６４を介して押圧部材６２が設けられている。押圧部材６２は、製造治具５０に収容された半導体冷却装置１０を、バネ６４の復元力により下方に押圧することができる。押圧部材６２は、上下方向に直交する面において貫通孔５６ａと同じ位置にあり、貫通孔５６ａより小さく形成される。なお、本実施形態においては、押圧部材６２にバネ６４が接続される場合について説明したが、この構成に限定されず、押圧部材６２を下方に付勢することができる構成であれば、例えば、他の弾性部材やソレノイドを採用することもできる。
【００３１】
次に、半導体冷却装置１０の構成部品の位置を決定する製造工程について図１を用いて説明する。この製造工程においては、ベース治具５２に第一位置決め治具５４が立設された状態である。底板１８に形成された貫通孔２６に第一位置決め治具５４を通すようにして、ベース治具５２上に底板１８を配置する。そして、冷却器１６に形成された貫通孔２４に第一位置決め治具５４を通すようにして、底板１８上に冷却器１６を配置する。底板１８と冷却器１６は、これらの貫通孔２４，２６に第一位置決め治具５４が嵌り合うことにより、上下方向に直交する平面における位置ずれが規制される。すなわち、第一位置決め治具５４により、底板１８と冷却器１６の位置が決定される。次に、第一位置決め治具５４に第二位置決め治具５６を取り付け、これを冷却器１６上に配置する。第二位置決め治具５６に形成された貫通孔５６ａに熱伝導部材１４を嵌めるようにして、冷却器１６上に熱伝導部材１４を配置する。そして、第二位置決め治具に形成された貫通孔５６ａに絶縁基板１２を嵌めるようにして、熱伝導部材１４上に絶縁基板１２を配置する。熱伝導部材１４と絶縁基板１２は、これらが第二位置決め治具５６の貫通孔５６ａに嵌り合うことにより、上下方向に直交する平面における位置ずれが規制される。すなわち、第一位置決め治具５６により、熱伝導部材１４と絶縁基板１２の位置が決定される。なお、この製造工程は、ベース治具５２が製造治具本体６６に取り付けられた状態でも実施することができる。
【００３２】
続いて、半導体冷却装置１０の構成部品の位置を拘束する製造工程について図２を用いて説明する。ベース治具５２と上部治具６０を製造治具本体６６に取り付ける。このとき、上部治具６０に、第一位置決め治具５４をスライド可能に支持させ、上部治具６０に設けられた押圧部材６２を、絶縁基板１２に当接させる。押圧部材６２は、バネ６４の復元力により、絶縁基板１２を下方に押圧する。これにより、半導体冷却装置１０の位置が拘束される。また、半導体冷却装置１０の各構成部品が互いに接触する接合部が確実に密着させることができる。
【００３３】
そして、半導体冷却装置１０のろう付けを行う製造工程について図３を用いて説明する。上部治具６０が第一位置決め治具５４を上方にスライドさせる。これに伴い、第一位置決め治具５４に支持された第二位置決め治具５６も上方に移動する。この動作により、冷却器１６の貫通孔２４と底板１８の貫通孔２６を貫通していた第一位置決め治具５４がこれらの貫通孔２４，２６から外れ、第二位置決め治具５６がこれの貫通孔５６ａに嵌っていた絶縁基板１２と熱伝導部材１４から離れる。この結果、第一及び第二位置決め治具５４，５６による、上下方向に直交する平面における半導体冷却装置１０の位置ずれの規制が解除される。しかし、押圧部材６２により、半導体冷却装置１０の位置が拘束されているので、位置決めされた半導体冷却装置１０の位置がずれることはない。その後、この状態のまま、半導体冷却装置１０を炉に入れて、炉内を高温（例えば６５０℃）にすることにより、半導体冷却装置１０の各構成部品の接合部はろう付けにより接合される。
【００３４】
本実施形態の半導体冷却装置１０の製造方法によれば、従来の製造方法のように、仮組み治具とろう付け治具という２種の治具を使用せず、１つの簡易な治具を使用するだけなので、工数の削減を図ることができる。また、本実施形態の半導体冷却装置１０の製造方法によれば、炉内において半導体冷却装置１０は位置ずれの規制する治具に接触していないので、高温で半導体冷却装置１０が膨張変形しても不具合の発生を防止することができる。また、本実施形態の半導体冷却装置１０の製造方法によれば、従来の製造方法のように、半導体冷却装置１０の各構成部品の接合部に接着剤を塗布していないので、ろう付け時において各構成部品が動いてしまうことはなく、接合部の熱抵抗の増加による半導体冷却装置１０の放熱性能の低下を防止することができる。
【００３５】
本実施形態においては、第一位置決め治具５４が、冷却器１６の貫通孔２４と底板１８の貫通孔２６を貫通することにより、冷却器１６と底板１８の位置が決められる場合について説明したが、この構成に限定されない。例えば、第一位置決め治具５４が壁状部材であり、これが冷却器１６と底板１８の外周の一部と接触することにより、冷却器１６と底板１８の位置が決められることもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１０，１１０  半導体冷却装置、１２，１１２  絶縁基板、１４，１１４  熱伝導部材、１６，１１６  冷却器、１８，１１８  底板、２４，２６，１２４，１２６  貫通孔、５０  製造治具、５２  ベース治具、５４  第一位置決め治具、５６  第二位置決め治具、６０  上部治具、６２  押圧部材、６４  バネ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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